大功率发动机机体与曲轴组合结构自由模态分析

发动机在车辆中属动力部件,其性能直接影响车辆在行进中的可靠性。随着发动机的设计向着高速化、紧凑化、轻量化的方向发展,机械负荷不断增加,部件磨损加重,随之而来出现了曲轴弯曲扭转振动和变形加剧、机体刚度不足、局部动应力过大等问题,致使发动机在其工作范围内出现了某些主谐次的强烈共振、机体侧壁振动增强、缸体变形过大、部件局部疲劳断裂等问题。在周期性动态载荷作用下,大功率发动机主要零部件的共振应力和位移将远远高于静载荷作用下所产生的应力和位移,严重影响发动机工作的安全可靠性。
对大功率发动机的动态特性进行深入的研究,弄清动态工作载荷的作用规律,对系统进行响应分析和评估,可从中找出结构在动态性能上所存在的问题。把其动态特性的提高作为重要目标进行结构的动态设计和优化,则可将发动机设计由经验、类比和静态设计方法改变为动态、优化的设计方法,提高产品的设计水平。有限元模型的建立本文中所研究的发动机为V12型发动机,机体与曲轴通过安装在7个横隔板与主轴承座间的轴瓦相连。该发动机机体共12个缸,是一个经铸造、机加得到的箱体结构,上面分布有各种加强筋、凸台、轴承孔、水套、油道孔和各种纵横隔板,而且其左右各6个缸呈不对称分布。
在建立有限元模型时,不可能全部考虑这些复杂的因素,不可能使模型的质量矩阵与刚度矩阵完全与实际相符,因此,依据等效原理,必须对机体进行必要的简化。考虑到模态分析所反映的是结构的整体特性,因此将安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、水道、油孔等对整体特性影响较小的局部结构予以简化;对于机体内部横隔板上的加强筋、凹槽等进行等效或忽略;主轴承盖作为机体一部分,螺栓孔在实际工作中由于装上螺栓后刚度得以加强,所以可以忽略其孔型结构。依据上述原则,建立机体的实体模型。
为了保证计算精度,选用四面体10节点三维实体线性单元对机体的实体模型进行网格划分,该单元每个节点具有3个移动自由度。 该发动机的曲轴是一异长形构件,形状比较复杂, 决定其实际结构的几何参数很多,在建模时,对其局部小特性进行简化,只留下对动态特性影响较大的一些参数,将曲轴分为前端、单拐和后端,建立其局部特征模型,然后利用平移、复制和映射等功能,建立曲轴的实体模型。

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